مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حفاری مکانیزه (Mechanized Tunneling): روشها، محاسبات، ساخت دستگاه، و شیوه اجرا

۱. روش های اجرای حفاری مکانیزه

حفاری مکانیزه یک فناوری پیشرفته برای ایجاد تونل‌ها با استفاده از ماشین‌آلات سنگین است. این روش به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود:

• تونل‌زنی با دستگاه TBM (Tunnel Boring Machine):

  • استفاده از یک دستگاه غول‌پیکر برای حفاری و نصب همزمان پوشش تونل.

  • مناسب برای تونل‌های طولانی و قطر بزرگ (تا ۱۵ متر).

• حفاری با دستگاه رودهدر (Roadheader):

  • استفاده از یک دستگاه مجهز به سر برش چرخان برای حفاری در سنگ‌های سخت یا نیمه‌سخت.

  • مناسب برای تونل‌های کوتاه‌تر و قطر متوسط.

۲. محاسبات کلیدی

• طراحی مسیر تونل:

  • شعاع خمش (R):
    R=(L2)/(8×D)+D/2​
    L=طول مسیر، D=عمق تونل

  • حداکثر زاویۀ انحراف: ۱-۲ درجه (برای دقت بالا).

• محاسبۀ نیروی رانش (Thrust Force):

  F=μ×W×L+Fسیال+Fخاک

• • μ=ضریب اصطکاک، W=وزن دستگاه، L=طول مسیر

  • Fسیال=مقاومت ناشی از سیال حفاری

  • Fسنگ=مقاومت سنگ

• فشار سیال حفاری:
  P=(Q×ρ)/A​
  Q=دبی سیال، ρ=چگالی، A=سطح مقطع تونل

۳. ساخت دستگاه و تجهیزات

• دستگاه TBM:

  • سر مته (Cutterhead): مجهز به دیسک‌های برش (Disc Cutters) برای سنگ‌های سخت یا تیغه‌های برش (Drag Picks) برای خاک‌های نرم.

  • سیستم رانش: جک‌های هیدرولیک با ظرفیت ۱۰۰۰–۵۰۰۰ تُن.

  • سیستم هدایت: لیزر، ژیروسکوپ، یا سیستم‌های اینرشیال.

  • سیستم پوشش‌دهی (Lining): نصب همزمان قطعات پیش‌ساخته (Segments) برای پوشش تونل.

• دستگاه رودهدر (Roadheader):

  • سر برش چرخان: مجهز به تیغه‌های فولادی یا کاربید تنگستن.

  • سیستم حمل مواد: نوار نقاله یا سیستم‌های هیدرولیک.

• سیستم سیال حفاری:

  • دوغاب بنتونیت: برای روانکاری، خنک‌سازی، و حمل مواد.

  • پمپ و مخزن: تزریق مداوم سیال.

۴. شیوه اجرا

۱. بررسی اولیه و طراحی:

• مطالعات ژئوتکنیک برای تعیین نوع خاک یا سنگ و سطح آب زیرزمینی.

• طراحی مسیر با نرم‌افزارهای تخصصی (مانند Plaxis یا FLAC).

۲. حفر چاله‌های ورودی و خروجی:

• چالۀ ورودی (Launch Shaft): برای نصب دستگاه.

• چالۀ خروجی (Receiving Shaft): برای جمع‌آوری دستگاه پس از اتمام کار.

۳. نصب دستگاه TBM یا رودهدر:

• مونتاژ دستگاه در چالۀ ورودی و اتصال به سیستم رانش.

• کالیبراسیون سیستم هدایت.

۴. فرآیند حفاری:

• شروع حفاری با سر مته و تزریق سیال حفاری.

• حمل مواد به سطح با سیستم نوار نقاله یا پمپاژ.

• نصب قطعات پوشش تونل (در صورت استفاده از TBM).

۵. هدایت و کنترل مسیر:

• نظارت بر مسیر با سیستم‌های لیزری یا ژیروسکوپی.

• اصلاح انحرافات با تنظیم جک‌های هیدرولیک.

۶. پایان کار و تست نهایی:

• خارج‌کردن دستگاه از چالۀ خروجی.

• تست فشار و آب‌بندی تونل.

۵. چالشها و راهکارها

• ریزش سنگ یا خاک:

  • راهکار: افزایش فشار سیال حفاری یا استفاده از افزودنی‌های پلیمری.

• برخورد با موانع (سنگ‌های سخت یا لایه‌های آبدار):

  • راهکار: تغییر مسیر یا استفاده از مته‌های الماسه.

• انحراف از مسیر:

  • راهکار: کالیبراسیون دقیق سیستم هدایت و نظارت مداوم.

۶. مزایای حفاری مکانیزه

• دقت بالا: انحراف کمتر از ۲۵ میلیمتر در مسیرهای طولانی.

• سرعت اجرا: پیشروی ۱۰-۳۰ متر در روز (بسته به شرایط).

• امنیت: کاهش نیاز به نیروی انسانی در داخل تونل.

• کاهش تخریب سطح: مناسب برای مناطق شهری و محیط‌های حساس.

۷. کاربردهای اصلی

• ایجاد تونل‌های مترو، راه‌آهن، و جاده‌ها.

• نصب خطوط آب، فاضلاب، گاز، و کابل‌های فیبر نوری.

• عبور از زیر رودخانه‌ها، بزرگراه‌ها، فرودگاه‌ها، و مناطق تاریخی.

حفاری مکانیزه به‌عنوان یک روش پیشرفته و کارآمد، برای پروژه‌های بزرگ و پیچیده ایده‌آل است. انتخاب بین TBM و رودهدر به شرایط زمین‌شناسی، قطر تونل، و بودجه پروژه بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تاریخچه حفاری چاه ها به 200 سال قبل از میلاد بر می گردد که چینی ها در آن زمان برای استفاده از آبهای زیرزمینی مجبور به حفر چاه می شدند. روشی که آنها به کار می بردند استفاده از یک قطعه سنگین و نوک تیز بود که با بالا و پایین  بردن آن بوسیله طناب، سنگ ته چاه خرد شده و چاه حفر می شد. بعدها با پیشرفت علم و صنعت و کشف نفت به عنوان یک ماده سوختی ارزشمند نیاز به حفر چاه در اعماق زمین جهت دسترسی به مخازن نفتی احساس می شد.

در این زمینه با مکانیزه کردن روش قبلی و به کار بردن ماشین بخار  و وسایل پیشرفته تر، روش حفاری کابلی یا ضربه ای (Cable Tool Drilling) ارائه شد. در این روش از یک مته حفاری که یک میله فولادی سنگین به طول 4 تا 8 فوت با لبه های نوک تیز(بسته به سختی سازند) می باشد، استفاده می شود که نیروی مکانیکی جهت بالا و پایین بردن مته حفاری توسط ماشین بخار تولید و نهایتا بوسیله یک کابل فولادی به مته منتقل می شود. در اثر برخورد مته با سنگ ته چاه، قسمتی از آن خرد شده و چاه حفر می شود، سپس مته بالا آورده شده و خرده های حفاری توسط وسیله ای به نام دولک(Bailer) به سطح زمین آورده می شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تکنیک های حفاری     

 آشنایی

تاریخچه حفر گمانه بسیار قدیمی است و پیشینیان برای جستجوی آب در دشتها و دره‌ها به حفر گمانه می‌پرداخته‌اند و چون تلمبه اختراع نشده بود، در اغلب موارد آب از چاه (گمانه) به صورت آرتزین خارج شده و یا چهارپایان کار آبکشی را انجام می‌دادند. تا آنجا که تاریخ نشان می‌دهد قدیمیترین گمانه‌ها در چین حفر شده و سیستم حفاری ضربه‌ای که امروزه در حفر گمانه مورد استفاده قرار می‌گیرد، همان طریقه قدیمی است که در چین متداول بوده است. برای حفر گمانه به اعماق مختلف، اقطار و در سنگهای گوناگون، وسایل و تجهیزات و ماشین آلات حفاری در انواع و استانداردهای مختف با تکنولوژیهای گوناگون متداول است.

انواع روشها و تکنیکهای حفاری

حفاری شوئیدنی (Wash boring)

این حفاری برای بدست آوردن نمونه‌های خاک، حفاری اکتشافی برای بررسیهای اولیه، حفر گمانه برای برخی آزمونهای برجا از جمله آزمایش SPT بکار می‌رود.

روش حفاری :

بالا و پایین رفتن سر مته باعث سست شدن مواد زیر لوله تزریق آب می‌شود. آب با فشار زیاد از سوراخ سر مته خارج و خرده‌ها را به خارج هدایت می‌کند.

 مزایا :

نیاز به کارگری با مهارت کم دارد. در همه نقاطی که برای وسایل سبک قابل دسترس باشند، قابل اجرا است.

 محدودیتها :

اجرای عملیات، مخصوصا در عمق بیش از 10 متر کند است. نفوذ در خاک مقاوم مشکل و در سنگ غیر ممکن است. خارج کردن گراول از لوله جدار مشکل است و منجر به کاهش کیفیت نمونه‌ها می‌شود. گرفتن نمونه دست نخورده مشکل است.

مته دورانی (Ratary drill)

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

نكات ایمنی که در عملیات حفر چاه     

در عملیات چاه‌کنی تا عمق 5 متر، وجود حداقل دو نفر و با افزایش عمق چاه، حداقل وجود 3 نفر برای ادامه عملیات الزامیست، با شروع حفر انباری چاه یک نفر کمک کلنگ‌دار به افراد گروه اضافه می‌شود. برای حفاظت کارگران از خطر ریزش اطراف چاه، باید در محل ایستادن کارگران تخته یا الوارهای زیرپایی با مقاومت و پهنای کافی گذاشته شود. برای جلوگیری از سقوط خاک و سنگ به داخل چاه، دور دهانه باید آستانه‌ای به عرض حداقل 15 سانتیمتر با مصالح مقاوم تعبیه گردد.

مقنی قبل از ورود به چاه برای عملیات چاه‌کنی، باید طناب نجات را به کمک کمربند ایمنی مخصوص به خود بسته باشد.

در مواردی که نوع مصالح استخراج شده از حفاری چاه به صورتی است که کلاه و سپر حفاظتی تکافو نمی‌کند، باید در فواصل مناسب از دیواره میله چاه پناهگاههایی تعبیه شود که در صورت لزوم مقنی در این محلها مستقر شود.

 خاک حاصل از کندن چاه، نباید به فاصله کمتر از 2 متر از کناره‌های چاه ریخته شود به نحوی که احتمال ریزش آن به داخل چاه وجود نداشته باشد.

 در صورتی که احتمال کمبود اکسیژن در اعماق چاه وجود داشته باشد، باید نسبت به تعبیه وسایل مناسب برای هوادهی به داخل چاه اقدام شود، این وسایل باید به تجهیزات ایمنی لازم برای جلوگیری از خطر برق‌گرفتگی مجهز شده باشند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

1-2-4-5- تست های مربوط به مشخصات آب:

این تست ها شامل اندازه گیری پارامتر های زیر می باشد:

a) یون کلر

b) درصد ذرات معلق

c) سختی آب

d) یون نیترات

e) یون سولفات

f) یون آلومینیوم

روش انجام تست ها

a) یون کلر: روش پلاتینیوم –کبالت استاندارد NCASI: (روش شماره 8025)

هدف و کاربردها : برای آب , آب پسماند یا آب دریا

قبل از شروع انجام آزمایش موارد زیر را انجام دهید:

روش NCASI نیازمند تنظیم PH است بنابراین آن را در حدود 7.6 با HCl یک نرمال یا NaOH یک نرمال تنظیم نمایید.هنگام تنظیم PH اگر افزایش حجم کلی بیش از یک درصد حجمی بود فرایند تنظیم PH را با یک اسید یا باز قویتر دوباره انجام دهید.برنامه شماره 125 را در هنگام انجام روش NCASI استفاده کنید.برای انجام تست کلر ظاهری از مرحله 3 تا 6 و 8 صرف نظر کنید.

موارد زیر را آماده نمایید:

ü محلول یک نرمال هیدروکلریک اسید به مقدار لازم

ü هیدروکسید سدیم یک نرمال به مقدار لازم

ü آب دیونیزه شده (میتوان از آب مقطر استفاده کرد) 50ml

ü تجهیزات فیلتراسیون شامل (کاغذ صافی– نگهدارنده فیلتر– فلاسک فیلتر– آسپیراتور)

ü ظرف نمونه گیری چهارگوش به ضلع 1 اینچ و حجم 10 ml2 عدد

ü چوب پنبه تک سوراخه شماره 7 و واشر

ü لوله رابط و ادوات لاستیکی آن

انجام تست : (روش 8025 پلاتینیوم - کبالت)

1) در منوی دستگاه Hatch Kit گذینه Stored Programs را فشار دهید.

2) برنامه (125 color , 465 nm) را اجرا کنید (start)..

3) در یک بشر 400 میلی لیتری 200 میلی لیتر از آب نمونه را بریزید و طبق روش گفته شده PH آن را تنظیم کنید.

4) تجهیزات فیلتراسیون را به هم وصل کنید (از کاغذ صافی 0.45 میکرون استفاده نمایید)

5) کاغذ صافی را با آب مقطر بشویید بدین ترتیب که 50ml آب مقطر را از صافی رد کرده و آب مورد نظر را دور بریزید.

6) مرحله 5 را تکرار کنید.

7) فراهم کردن نمونه آب مرجع:10 ml از آب مقطر فیلتر شده را در یکی از ظروف نمونه گیری بریزید.

8) 50 ml از آب دیواترینگ یا هر آبی که میخواهید مورد آزمایش قرار دهید را از صافی عبور دهید.

9) 10 ml از آب مرحله قبل را در ظرف 4 گوش دوم بریزید.

10) ظرف نمونه آب مرجع را خشک و تمیز نموده ودر محفظه دستگاه قرار دهید.

11) در منوی دستگاه zero را فشار دهید(روی صفحه نمایش پیغام ounltsptco نشان داده خواهد شد)

12) نمونه آب آماده شده در مرحله 9 را در دستگاه قرار داده و نتیجه را بر حسب mg/lit یادداشت نمایید.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

انواع مته های حفاری

مته وسيله اي است در انتهاي رشته حفاري به منظور کندن زمین بسته می شود.
               
كه بطور كلي سه دسته مي باشند:

1) Milled Teeth يا (Steel Tooth) كه انواع مته هاي tri-cone است و دندانه هاي آن بصورت مخروطي مي باشند.

2) Tangstan Carbid Insert يا (TCI) نوعي مته  tri –cone است كه براي سازندهاي سخت بكار مي روند.

3) Diamond Bit (الماسه) از جنس فولاد تو پر است و كاج و دندانه نداشته و در عوض تعداد زيادي الماس در قسمت پائين و اطراف آن جاسازي شده است كه براي سازندهاي سخت مناسب هستند.

سه نوع مته اي كه وجود دارد :

الف) PDC  يا Poly Crystalline Diamond Contact كه مهمترين انواع مته الماسه است.

ب) Bottom Bit

پ) Rock Bit = Cone Bit = Roller Cone B

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حفاري

كندن چاه و رسيدن به هدف مورد نظر را حفاري مي گويند حفاري يكي از كارهاي پيچيده و گران و طاقت فرسا وتخصصي در صنعت نفت بشمار مي رود. هر كاري كه ما قبل از حفاري انجام داده باشيم در صورتي كه عمل حفاري بدرستي انجام نگيرد بي فايده است.
بنابراين به حفاري خيلي اهميت مي دهند قبل از حفاري ما فقط با تخيل و فرضيات مختلف لايه ها و عمق ها را تعيين مي كنيم ولي در حفاري واقعاً به اينها مي رسيم زمين شناس، مهندس راه و ساختمان، حفار و … همه دست به دست هم مي دهند تا حفاري به طور مداوم انجام شود. چون هزينه دكل و لوازم حفاري خيلي گران است.بنابراين حفاري در سه نوبت و بطور 24 ساعته انجام مي گيرد.
تعيين محل حفاري نيز مهم است مثلاً فاصله آن از مناطق مسكوني، چاههاي مجاور، مسكوني فشار قوي برق و ….. كه اينها همه تخصصي و مخصوص به خود را دارند بعد از تعيين محل مهندس راه و ساختمان اقدام به نصب كردن وسايل مورد نياز، اتاق ها، جاده و … مي كند سپس دكل به منطقه آورده مي شود و عمل بطور 24 ساعته انجام مي شود. عمل حفاری بوسیله دکل صورت میگیرد . این دکل ابتدا بصورت جدا از هم به محل آورده میشود . سپس آن را در محل سر هم کرده و آمده حفاری میکنند . دکل و وسایل حفاری بصورت کرایه ای و گران قیمت می باشند بنابراین عمل حفاری بصورت 24 ساعته انجام میگیرد .

لوازم و قطعات حفاری عبارتند از :

1) Hook
قلاب آویزان از قطعات و رشته های بالا و پایین رو و متصل به دکل حفاری

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مي دانيد يك متر مكعب خاك تقريبا 1700 كيلو گرم وزن دارد . آيا يك انسان زنده تحمل اين همه وزن را دارد؟ مطمئناً نه ،هيچ گودال ويا كانالي نيست كه از خطر ريزش مصون باشد ، همه كانال ها كم وبيش مخاطرات ريزش را دارند. لطفاً نكات نوشته شده در زير را بخاطر بسپاريد.

در عمليات حفاري دو نوع سانحه وجود دارد :

1.ريزش خاك بر روي كساني كه در محل حفاري شده مشغول كارند .

2.سقوط اجسام و متريال به درون كانال وسوانحي كه از طريق افراد ،ماشين آلات ويا موادي كه در حفاري استفاده ميشوند ،پديد مي آيند.

معمولاً حوادث در حفر گودال بدين خاطر است كه شخص يا اشخاصي كار خود را به درستي انجام نداده اند. همه سوانح قابل پيش گيري هستند البته با عملكرد صحيح وبه موقع.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب